ГАЗОРАЗРЯДНАЯ КАМЕРА Российский патент 1998 года по МПК H05H1/24 B01D53/32 

Изобретение относится к области технологии очистки и обезвреживания отходящих газов, газовых выбросов различных производств и процессов, а также плазмохимического синтеза химически активных соединений с использованием электрических методов, в частности к устройству газоразрядных камер, в которых производят процесс детоксикации и очистки.

Современная цивилизация характеризуется большим количеством газовых выбросов, образующихся при транспортировке и переработке нефти, нефтепродуктов и газа, от сжигания природного газа, при синтезе органических соединений, от сгорания топлива в двигателях автомобилей и т.д.

Одним из эффективных способов очистки газов и газовоздушных смесей является разрушение, трансформация в менее токсичные и нетоксичные соединения вредных компонентов под действием электрического разряда в процессе пропускания газов через газорязрядную камеру. При этом происходит диссоциация газообразных соединений и образование безвредных, легкоутилизируемых веществ.

Наиболее распространенная форма камеры - цилиндрическая или прямоугольная; стенки камеры, а также расположенный по оси стержень являются электродами (Патент США N 4695358, кл. C 01 B 17/60, 1987).

Недостатком известной конструкции камеры является низкий удельный энерговклад в обрабатываемый газ и, как следствие, малая скорость очистки газа.

Известно устройство для обезвреживания выхлопных газов, содержащее камеру (электрохимический реактор), в которой газ прокачивают между рядом штырей - электродов (катодом) и плоским анодом (Патент США N 4657738, кл. B 01 J 19/08, 1987).

Недостатками известного устройства являются низкая производительность установки вследствие невысокого удельного энерговклада в обрабатываемый газ при большом расходе (высокой скорости) газа, недостаточно высокая степень очистки газа, невозможность очистки от органических примесей.

Известно устройство для обезвреживания летучих органических веществ, ядов, таких как толуол, метан, гексан, бензол, галогенпроизводные, при комнатной температуре и концентрации каждого из компонентов 10 частей/мин. Разрушение веществ проводят в коронном разряде. Требуемая энергия составляет 106 Дж/с/м³ (Патент США N 5236679, 422-186.04, кл. B 01 J 19/12, 1993).

Недостатком известного устройства для обезвреживания газов является высокая энергоемкость процесса очистки, обусловленная незначительными размерами активной зоны коронного разряда в камере.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство газоразрядной камеры, содержащей плоский диэлектрический анод и штыревые катоды, в которой поверхность анода имеет ориентированные поперек потока газа ряды несквозных отверстий, находящихся соосно со штырями (Патент РФ N 1228750, кл. H 01 S 3/0971, 1994).

Недостатком известного устройства камеры является низкая степень диссоциации пропускаемых через нее газов, что делает ее непригодной для целей очистки газов. Разряд создается при низком (0,1 - 0,2 атм) давлении и высоких (более 100 м/с) скоростях прокачки газов, что характерно для использования в стационарных газовых лазерах и не предназначено для очистки отходящих газов при атмосферном давлении, скорость которых обычно не превышает 15 м/с. При использовании данного устройства камеры в целях очистки отходящих газов наблюдается нестабильность электрического поля, что приводит к образованию искр и дуговых каналов в разрядном канале при очень малых точках.

Техническим эффектом, к достижению которого стремиться заявитель в своем изобретении, является повышение производительности и степени очистки газовых смесей как от органических, так и неорганических соединений при их раздельном и совместном присутствии в низких концентрациях при промышленных скоростях и объемах выбросов.

Эта цель достигается тем, что в устройстве газоразрядной камеры, содержащей штыревые катоды и плоский анод с рядами несквозных круглых отверстий на поверхности анода при совпадении осей и отверстия, согласно изобретению анод выполнен из токопроводящего материала, например из нержавеющей стали, отверстия на поверхности анода выполнены в виде сферических, соприкасающихся друг с другом лунок, имеющих закругленную фаску на границе с поверхностью, расположенных в шахматном порядке, при соотношении глубины лунки к ее диаметру, равном 0,1 - 0,3:1.

На фиг. 1 и 2 представлена схема газоразрядной камеры со штыревыми катодами 1 и плоскими токопроводящим анодом 2 с профилированной рабочей поверхностью (в размере и в плане). На рабочей поверхности анода выполнены лункообразные углубления 3, имеющие закругленную фаску на границе с поверхностью, соприкасающиеся друг с другом, центры которых совпадают с вертикальной осью штыревого катода. Катоды и соответствующие им лунки расположены в шахматном порядке. Глубина лунки h составляет 0,1 - 0,3 от диаметра лунки d.

В отличие от известного устройства камеры, где разрядный ток на диэлектрическом аноде собирается на острых кромках несквозных отверстий, что резко увеличивает плотность тока и электрическое поле в этих местах и при атмосферном давлении провоцирует искро- и дугообразование уже при совсем малых величинах общего разрядного тока, использование анода со сферическими лунками с закругленной фаской на границе с поверхностью позволяет снизить плотность тока на аноде, поскольку ток распределяется по всей площади поверхности, что повышает устойчивость разряда к искро- и дугообразованию.

В газоразрядной камере с электродом заявленной конструкции достигается высокая эффективность диссоциации молекул O₂, H₂O внутри всей длины межкатодного пространства вследствие практически полного заполнения разрядной зоной межэлектродного промежутка. При этом достигается устойчивый тлеющий разряд независимо от вида примесей в подаваемом газе: водяных паров, аммиака, органики, пыли. Большее электрическое поле обеспечивает оптимальный режим электронной кинетики для генерации активных частиц O, OH, HO₂ и др., способствующих очистке газа.

Газоразрядная камера работает следующим образом.

Газ, содержащий вредные примеси любого состава, например SO_x, NO_y, толуол и др, при атмосферном давлении подают в газоразрядное пространство со скоростью, зависящей от вида технологического процесса, в пределах 5 - 15 м/с. При напряжении на электродах 15 - 35 кВ возникает тлеющий разряд, межэлектродное пространство полностью заполняется квази-нейтральной плазмой с высокой температурой электронов (30000 K) и низкой температурой пропускаемого газа (300 - 400 K). Удельный энерговклад за счет тлеющего разряда в обрабатываемый газ составляет 30 - 100 Дж/г, что в десятки раз выше, чем в известной конструкции.

Газ, выходящий из камеры после обработки, содержит пары H₂SO₄, HNO₃, легко переводимые в соли, концентрация паров толуола снижается до ПДК. Степень очистки обрабатываемых газов достигает 96%.

Таким образом, применение для обезвреживания газов предложенной конструкции газоразрядной камеры, в которой создается устойчивый тлеющий разряд при атмосферном давлении, значительно эффективнее известной. Предложенная конструкция камеры поддается масштабированию. При ее использовании отсутствует загрязнение окружающей среды, не требуется предварительная подготовка газов (осушка, сжатие, обеспыливание), т.е. они используются с промышленной концентрацией и скоростью выброса.

При эксплуатации камеры используется стандартное электротехническое оборудование, имеющее большой ресурс работы. Камера при работе не создает вокруг себя вредных радиопомех.

Использование: в технологии очистки и обезвреживания отходящих газов, выбросов, плазмохимического синтеза химических соединений с использованием газоразрядных камер. Сущность изобретения: газоразрядная камера содержит штыревые катоды и плоский анод из токопроводящего материала с отверстиями на поверхности, выполненными в виде сферических, соприкасающихся друг с другом лунок, имеющих закругленную фаску на границе с поверхностью. Лунки расположены соосно с катодами в шахматном порядке при отношении глубины лунки к ее диаметру, равном (0,1 - 0,3):1. Использование камеры позволяет обезвреживать промышленные газовые выбросы без предварительной подготовки со степенью очистки до 96%. 2 ил.

Газоразрядная камера, содержащая штыревые катоды и плоский анод с рядами несквозных круглых отверстий на поверхности анода, расположенными с совпадением осей катода и отверстия, отличающаяся тем, что анод выполнен из токопроводящего материала, отверстия на его поверхности выполнены в виде сферических соприкасающихся друг с другом лунок, имеющих закругленную фаску на границе с поверхностью, ряды лунок расположены в шахматном порядке при соотношении глубины лунки к ее диаметру, равном (0,1 0,3) 1.